(57)【要約】  ネットワークアーキテクチャ内の無線ノードの位置を決定するためのシステムおよび方法が、本明細書に開示される。一例では、非同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードを含む。システムはまた、第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための、送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードも含む。第１無線ノードは、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定および第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく時間推定を決定する。【選択図】  図４
2019523864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置推定のための非同期システムであって、
１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードと、
第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードとを備え、前記第１無線ノードの前記１つ以上の処理ユニットは、前記第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定ならびに前記第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている、非同期システム。
【請求項２】
前記第１無線ノードは、第１基準クロック信号を有し、前記第２無線ノードは第２基準クロック信号を有する、請求項１に記載の非同期システム。
【請求項３】
前記第１および第２パケットの前記往復飛行時間の時間推定は、前記第１無線ノードが前記第１パケットを送信する第１の時間、前記第２無線ノードが前記第１パケットを受信する第２の時間、前記第２無線ノードが前記第２パケットを送信する第３の時間、および前記第１無線ノードが前記第２パケットを受信する第４の時間に基づく、請求項２に記載の非同期システム。
【請求項４】
前記第１無線ノードの前記チャネル感知情報は、前記第２パケットのチャネル応答の第１測定値を備え、前記第２無線装置の前記チャネル感知情報は、前記第１パケットのチャネル応答の第２測定値を備える、請求項３に記載の非同期システム。
【請求項５】
結合されたチャネル応答は、前記第１および第２基準クロック信号間の位相差を相殺するために、前記第１測定値および前記第２測定値を乗じるステップを備える、請求項４に記載の非同期システム。
【請求項６】
除されたチャネル応答は、前記第１および第２基準クロック信号間の位相差を推定するために、前記第１測定値を前記第２測定値で除するステップを備える、請求項４に記載の非同期システム。
【請求項７】
前記第２パケットの前記チャネル応答の前記第１測定値および前記第１パケットの前記チャネル応答の前記第２測定値から複数経路の最小遅延を推定するために、行列束およびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが使用される、請求項４に記載の非同期システム。
【請求項８】
位置推定のための前記飛行時間推定は、前記第１および第２パケットの前記往復飛行時間の時間推定および前記複数経路の最小遅延に基づいて前記第１および第２無線ノード間の距離を決定するステップを備える、請求項７に記載の非同期システム。
【請求項９】
前記第１および第２無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードなしの三角測量に基づいて前記第１および第２無線ノードの相対位置または絶対位置を決定するために使用される、請求項８に記載の非同期システム。
【請求項１０】
前記第１および第２無線ノード間の前記距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置推定情報を決定するために使用される、請求項８に記載の非同期システム。
【請求項１１】
１つ以上の処理ユニットと、前記第１無線ノードからの第１ＲＦ情報信号および前記第２無線ノードからの第２ＲＦ情報信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第３無線ノードをさらに備え、前記第３無線ノードの１つ以上の前記処理ユニットは、前記第１および第２ＲＦ情報信号に基づいて位置推定のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている、
請求項１に記載の非同期システム。
【請求項１２】
無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置推定のための同期システムであって、
１つ以上の処理ユニットと、パケットを有するＲＦ信号を含む前記無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードと、
１つ以上の処理ユニットと、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記第１無線ノードとの双方向通信を可能にするためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第２無線ノードとを備え、前記第２無線ノードの前記１つ以上の処理ユニットは、前記パケットの飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定およびチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されており、前記第１および第２無線ノードは同じ基準クロック信号を有する、同期システム。
【請求項１３】
前記パケットの前記飛行時間の時間推定は、前記第１無線ノードが前記パケットを送信するときは第１の時間、前記第２無線ノードが前記パケットを受信するときは第２の時間に基づく、請求項１２に記載の同期システム。
【請求項１４】
前記チャネル感知情報は、前記第１および第２無線ノード間の複数経路の遅延およびチャネルの位相応答を含む、前記パケットのチャネル応答の測定値を備える、請求項１２に記載の同期システム。
【請求項１５】
前記第１および第２無線ノード間の複数経路の最小遅延を推定するために、行列束およびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが使用される、請求項１４に記載の同期システム。
【請求項１６】
位置推定のための前記飛行時間推定は、前記パケットの前記飛行時間の時間推定および前記複数経路の最小遅延に基づいて前記第１および第２無線ノード間の距離を決定するステップを備える、請求項１５に記載の同期システム。
【請求項１７】
前記第１および第２無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードなしの三角測量に基づいて前記第１および第２無線ノードの相対位置または絶対位置を決定するために使用される、請求項１６に記載の同期システム。
【請求項１８】
前記第１および第２無線ノード間の前記距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置推定情報を決定するために使用される、請求項１６に記載の同期システム。
【請求項１９】
機器であって、
命令を格納するためのメモリと、
無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のセンサノードを制御し、前記複数のセンサノードの位置を決定するための命令を実行するための１つ以上の処理ユニットと、
前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記機器のＲＦ回路構成との双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を各々が有する前記複数のセンサノードに通信を送信し、そこから通信を受信するための無線周波数（ＲＦ）回路構成とを備え、前記機器の前記１つ以上の処理ユニットは、前記ＲＦ回路構成の自動利得制御（ＡＧＣ）段を較正し、前記ＡＧＣ段の較正に基づいて前記機器とセンサノードとの間の通信のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている、機器。
【請求項２０】
前記機器の前記１つ以上の処理ユニットは、利得の関数としての前記ＡＧＣ段の遅延を測定し、前記測定遅延と前記ＡＧＣ段の基準遅延との間に偏差が存在するか否かを決定し、偏差が存在する場合には前記決定された飛行時間推定のタイミングを修正することによって、前記ＡＧＣ段を較正するための命令を実行するように構成されている、請求項１９に記載の機器。
【請求項２１】
前記機器の前記１つ以上の処理ユニットは、フィルタ段の遅延を測定し、前記測定フィルタ遅延と基準フィルタ遅延との間に偏差が存在するか否かを決定し、偏差が存在する場合には前記決定された飛行時間推定のタイミングを修正することによって、前記フィルタ段を較正するための命令を実行するように構成されている、請求項１９に記載の機器。
【請求項２２】
無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置推定のためのシステムであって、
１つ以上の処理ユニットと、前記無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードと、
前記無線ネットワークアーキテクチャ内の前記第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードとを備え、前記第１無線ノードの前記１つ以上の処理ユニットは、前記第２無線ノードから受信した通信について前記第１および第２無線ノード間の複数経路の受信信号の信号振幅を決定し、前記複数経路の前記受信信号の前記信号振幅を閾値と比較し、誤った短経路の前記信号振幅が所定の方法で閾値と比較するときに前記複数経路の誤った短経路を排除する、経路推定アルゴリズムの実装に基づいて位置推定のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている、システム。
【請求項２３】
前記誤った短経路の前記信号振幅が前記閾値未満であるときに、前記誤った短経路の前記信号振幅は所定の方法で前記閾値と比較する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記閾値は、環境要因、経験的データ、および経路長による前記複数経路の期待される損失のうちの少なくとも１つに基づいて設定される、請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年６月３日に出願された米国特許出願第１５／１７３，５３１号の恩典を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、複数の通信経路が存在する中での正確な無線周波数位置推定のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
家庭用電化製品およびコンピュータ産業では、無線センサネットワークが長年研究されている。典型的な無線センサネットワークでは、ネットワーク内で展開された１つ以上のセンサノードからのデータの無線収集を可能にするために、無線機と併せて１つ以上のセンサが実装されている。各センサノードは、１つ以上のセンサを含んでもよく、無線機およびセンサノードの動作に電力供給するための電力源を含むことになる。屋内無線ネットワーク内のノードの位置検出は、多くのアプリケーションにおいて有用かつ重要である。
【０００４】
無線周波数測定を使用して実行される三角測量に基づく位置推定は、三次元空間内の無線搭載した物体の位置を決定するための魅力的な方法である。ＲＦベースの位置推定は、複数の方法で実行されて得る。個別ペア距離に基づく三角測量による三次元空間内の相対位置の計算を可能にするために、複数の物体ペア間の距離が決定されなければならない。例示的な実装は、ハブおよび複数のセンサノードを含む。なお、ハブはノードに置き換えられてもよく、または実際には、ノードのうちの１つ以上がハブに置き換えられてもよいことに、留意されたい。距離は、ＲＦ通信を介して全ての個別ペアの間で無線周波数技術を使用して推定される。距離が推定されると、各物体の三次元空間内の相対位置を決定するために、三角測量が使用されてよい。物体のうちの少なくとも２つの位置が実空間内でわかると、ネットワーク内の各物体の絶対位置が決定され得る。実際には、少なくとももう１つのノードへの角度経路とともに１つの物体（たとえば、ハブ）の位置がネットワーク内でわかれば、やはりネットワーク内の各物体の絶対位置が決定され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、物体ペアの間の距離測定は、ＲＦベースの位置推定における重要なステップである。距離推定は、多くの方法で実行され得る。通信の信号強度（ＲＳＳＩ）は、ペア間で測定され、信号減衰の既知のモデルに基づいて距離を推定するために使用されてよい。飛行時間（ＴＯＦ）は物体間で送信された信号について測定されてもよく、距離は既知の伝播遅延モデルに基づいて推定されてもよい。到来角（ＡＯＡ）は、信号強度の角度変化の分解能に基づいて、付加的に推定されてもよい。これらのうち、ＲＳＳＩは、減衰におけるばらつきのために誤差を生じやすい場合が多く、したがって距離推定ではＴＯＦほど魅力的ではない。
【０００６】
ＴＯＦベースの距離推定は、２つの物体間に複数の経路を存在させる反射のため、誤差の影響を受けやすい。この状況では、推定された経路は、直接経路よりも反射経路の方が長いため、実際の経路よりも長いものとして検出される可能性がある。システムが反射経路に基づいてＴＯＦを推定する場合には、三角測量に誤差が導入される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態では、ネットワークアーキテクチャ内の無線センサノードの位置を決定するためのシステムおよび方法が本明細書に開示される。一例では、無線ネットワークアーキテクチャにおけるノードの位置推定のための非同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードを含む。システムはまた、第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための、送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードも含む。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定および第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【０００８】
別の例では、無線ネットワークアーキテクチャにおけるノードの位置推定のための同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、パケットを有するＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードを含む。システムはまた、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための、送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードも含む。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、パケットの遅延時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定およびチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。第１および第２無線ノードは、同じ基準クロック信号を有する。
【０００９】
本発明の実施形態のその他の特徴および利点は、添付図面、および以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１０】
本発明の実施形態は、同様の参照符号が類似の要素を示す添付図面の図において、例示によって、ただし非限定的に示される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態による無線ノードの、模範システムを示す図である。
【図２】一実施形態による通信のための複数のハブを有する非対称ツリーおよびメッシュアーキテクチャを有するシステムを示す図である。
【図３】一実施形態による飛行時間測定システムを示す図である。
【図４】一実施形態による飛行時間測定システムのブロック図である。
【図５】一実施形態による距離推定のために使用される完全同期システムを示す図である。
【図６】一実施形態による、記録されたＲＦ信号のパケットが装置５１０から送信された信号のタイムシフトバージョンである様子を示す図である。
【図７Ａ】一実施形態による理想チャネルの位相応答を示す図である。
【図７Ｂ】一実施形態による非理想チャネルの位相応答を示す図である。
【図８Ａ】一実施形態によるプロット８３０の例示的な経路に関連付けられた遅延の関数としての測定信号振幅を示す図である。
【図８Ｂ】一実施形態によるプロット８６０の振幅対ＴｏＦ遅延の正規化を示す図である。
【図８Ｃ】別の実施形態による、飛行時間推定のために使用される非同期システムを示す図である。
【図９】一実施形態による自動利得制御を有する較正システムを示す図である。
【図１０】一実施形態において２ウェイＴｏＦ測定システム１０００を示す図である。
【図１１】代替実施形態による非同期システム１１００を示す図である。
【図１２】一実施形態による飛行時間技術を使用してノードの位置推定を決定するための方法を示す図である。
【図１３Ａ】一実施形態による電源コンセントのためのオーバーレイ１５００として実装されたハブの例示的実施形態を示す図である。
【図１３Ｂ】一実施形態による電源コンセントのためのオーバーレイとして実装されたハブのブロック図の分解図の例示的実施形態を示す図である。
【図１４Ａ】一実施形態による、コンピュータシステム、家電、または通信ハブ内で展開するためのカードとして実装されるハブの例示的実施形態を示す図である。
【図１４Ｂ】一実施形態による、コンピュータシステム、家電、または通信ハブ内で展開するためのカードとして実装されるハブ９６４のブロック図の例示的実施形態を示す図である。
【図１４Ｃ】一実施形態による、家電（たとえば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、その他のスマート家電など）内で実装されるハブの例示的実施形態を示す図である。
【図１４Ｄ】一実施形態による、家電（たとえば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、その他のスマート家電など）内で実装されるハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的実施形態を示す図である。
【図１５】一実施形態によるセンサノードのブロック図である。
【図１６】一実施形態によるハブを有するシステムまたは家電１８００のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
複数の通信経路が存在する中での正確な無線周波数位置推定のためのシステムおよび方法が、本明細書において開示される。一例では、無線ネットワークアーキテクチャにおけるノードの位置推定のための非同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードを含む。システムはまた、第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための、送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードも含む。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定および第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【００１３】
無線センサネットワークの様々なアプリケーションにおいて、ネットワーク内のセンサノードの位置を決定することが望ましい場合がある。たとえば、このような情報は、セキュリティカメラ、モーションセンサ、温度センサ、および当業者にとって明らかであろう他のそのようなセンサなどのセンサの相対位置を推定するために使用されてもよい。この情報はその後、温度マップ、モーションパス、マルチビュー画像キャプチャなどの拡張情報を生成するために使用されてもよい。したがって、無線ネットワーク内、特に屋内環境で、ノードの正確な、低電力の、コンテクストアウェアな位置推定を可能にするための位置推定システムおよび方法が望まれている。この目的のために、屋内環境は、類似の問題（たとえば、近くの壁の存在など）が存在し得る、建物および他の構造物の周りの領域内などの屋内に近い環境を含むとも考えられる。
【００１４】
家、アパート、オフィス、および商業ビルディングを含む屋内環境、ならびに駐車場、歩道、および庭園などの近くの屋外箇所で使用するための無線センサネットワークが記載されている。無線センサネットワークは、電力源を有するいずれのタイプの建物、構造、囲い、乗り物、ボートなどで使用されることも可能である。センサシステムは、長い通信距離を維持しながら、センサノードに良好な電池寿命を提供する。
【００１５】
本発明の実施形態は、屋内環境における位置推定のためのシステム、機器、および方法を提供する。参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年８月１９日に出願された米国特許出願第１４／８３０，６６８号明細書は、ＲＦベースの位置推定のための技術を開示している。具体的には、システム、機器、および方法は、位置推定が必要なときに経路長推定のための定期的なメッシュベースの特徴との通信のためにツリーネットワーク構造を主に使用する無線センサネットワーク内で位置推定を実装する。無線センサネットワークは、位置推定には高周波を使用し、通信には低周波を使用することによって、屋内通信の良好な品質を同時に提供しながら、位置推定の精度を改善した。
【００１６】
ツリー状無線センサネットワークは、無線信号受信機能に関連付けられた所要電力が低減されているため、多くのアプリケーションにとって魅力的である。模範的なツリー状ネットワークアーキテクチャは、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４５号明細書、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４７号明細書、２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０４８号明細書、および２０１５年１月２９日に出願された米国特許出願第１４／６０７，０５０号明細書に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【００１７】
頻繁に使用される別のタイプの無線ネットワークは、メッシュネットワークである。このネットワークでは、１つ以上の隣接ノード間で通信が行われ、次いでマルチホップアーキテクチャを使用して、ネットワークに沿って情報が渡される。これは、より短い距離にわたって情報が送られるので、送信所要電力を低減するために使用され得る。一方、受信無線機がマルチホップ通信方式を可能にするために頻繁にオンである必要があるので、受信無線機所要電力は増加する可能性がある。
【００１８】
無線ネットワーク内のノード間の信号の飛行時間の使用に基づいて、信号伝播の速度は比較的一定であるという事実を利用して、無線ネットワーク内のノードの個別ペアの間の距離を推定することが可能である。本ネットワークアーキテクチャの実施形態は、複数の経路長のペアを測定し、三角測量を実行してから三次元空間内の個別ノードの相対位置を推定することを、可能にする。
【００１９】
図１は、一実施形態による無線ノードの模範システムを示す。この模範システム１００は、無線ノード１１０から１１６を含む。ノードは、通信１２０〜１３０（たとえば、ノード識別情報、センサデータ、ノード状態情報、同期情報、位置推定情報、無線センサネットワークのための他のそのような情報、飛行時間（ＴＯＦ）通信など）と双方向に通信する。飛行時間測定を使用することに基づいて、ノードの個別ペアの間の経路長が推定され得る。たとえば、ノード１１０と１１１との間の個別の飛行時間測定は、ノード１１０からノード１１１に既知の時間の信号を送信することによって実現可能である。ノード１１１は、信号を受信し、通信１２０の信号の受信のタイムスタンプを記録し、その後たとえば、戻り信号の送信のタイムスタンプとともに、戻り信号をＡに返送することができる。ノード１１０は、信号を受信して受信のタイムスタンプを記録する。これら２つの送信および受信タイムスタンプに基づいて、ノード１１０と１１１との間の平均飛行時間が推定され得る。このプロセスは、精度を向上し、特定の周波数でのチャネル品質の低下による劣化を解消または低減するために、複数回にわたって複数の周波数で繰り返されることが可能である。一連の経路長は、様々なノードペアに対してこのプロセスを繰り返すことによって推定可能である。たとえば、図１では、経路長はＴＯＦ１５０〜１６０である。次に、幾何モデルを使用することによって、三角測量のようなプロセスに基づいて個別ノードの相対位置が推定され得る。
【００２０】
この三角測量プロセスは、いずれかのノードとハブとの間の経路長のみが測定可能なので、ツリー状ネットワークでは実現不可能である。この場合、これはツリーネットワークの位置推定能力を制限する。位置推定を可能にしながらツリーネットワークのエネルギー利益を確保するために、この発明の一実施形態では、通信のためのツリーネットワークは、位置推定のためのメッシュ状ネットワーク機能と組み合わせられる。メッシュ状ネットワーク機能を用いて位置推定が完了すると、ネットワークはツリー状の通信に戻り、ノードとハブとの間の飛行時間のみが定期的に測定される。これらの飛行時間が比較的一定に保たれると、ネットワークは、ノードが移動していないと考えてエネルギーを浪費せず、メッシュベースの位置推定を再実行しようとしている。一方、ツリーネットワーク内の経路長の変化が検出されると、ネットワークはメッシュベースのシステムに切り替わり、ネットワーク内の各ノードの位置を決定するために再度三角測量する。
【００２１】
図２は、一実施形態による通信のための複数のハブを有する非対称ツリーおよびメッシュアーキテクチャを有するシステムを示す。システム７００は、無線制御装置７１１を有する中央ハブ７１０と、無線制御装置７２１を有するハブ７２０と、無線制御装置７８３を有するハブ７８２と、無線制御装置ｎを有するハブｎを含む追加ハブとを含む。図示されない追加ハブは、中央ハブ７１０、その他のハブと通信することができ、または追加中央ハブであってもよい。各ハブは、他のハブおよび１つ以上のセンサノードと双方向に通信する。ハブはまた、装置７８０（たとえば、クライアントデバイス、モバイルデバイス、タブレットデバイス、計算装置、スマート家電、スマートテレビなど）を含む他の装置と双方向に通信するように設計されている。
【００２２】
センサノード７３０、７４０、７５０、７６０、７７０、７８８、７９２、ｎ、およびｎ＋１（または終端ノード）は各々、無線装置７３１、７４１、７５１、７６１、７７１、７８９、７９３、７５８、および７５３をそれぞれ含む。センサノードは、上位のハブまたはノードとの上り通信のみを有して別のハブまたはノードとの下り通信がない場合、終端ノードである。各無線装置は、ハブまたは他のセンサノードとの双方向通信を可能にするための送信機および受信機（またはトランシーバ）を有するＲＦ回路構成を含む。
【００２３】
一実施形態では、中央ハブ７１０は、ハブ７２０、７８２、ハブｎ、装置７８０、およびノード７６０および７７０と通信する。これらの通信は、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の通信７２２、７２４、７７４、７７２、７６４、７６２、７８１、７８４、７８６、７１４、および７１２を含む。無線制御装置７１１を有する中央ハブは、ノードの割り当てグループおよび各グループに対して保証された時間信号を含む無線非対称ネットワークアーキテクチャを制御および監視するために、他のハブに通信を送信して他のハブから通信を受信するように構成されている。
【００２４】
ハブ７２０は、中央ハブ７１０と、ならびにセンサノード７３０、７４０、および７５０とも通信する。これらのセンサノードとの通信は、通信７３２、７３４、７４２、７４４、７５２、および７５４を含む。たとえば、ハブ７２０の観点からは、通信７３２はハブによって受信され、通信７３４はセンサノードに送信される。センサノード７３０の観点からは、通信７３２はハブ７２０に送信され、通信７３４はハブから受信される。
【００２５】
一実施形態では、中央ハブ（またはその他のハブ）は、ノード７６０および７７０をグループ７１６に、ノード７３０、７４０、および７５０をグループ７１５に、ノード７８８および７９２をグループ７１７に、ノードｎおよびノードｎ＋１をグループｎに割り当てる。別の例では、グループ７１６および７１５は１つのグループにまとめられる。
【００２６】
図１から図２に示されるアーキテクチャを使用することで、長い電池寿命を必要とするノードは、通信に費やされるエネルギーを最小化し、ツリー階層内の上位ノードは、利用可能なエネルギー源を使用して実装されるか、あるいはより高い容量を提供するかまたは短い電池寿命をもたらす電池を使用してもよい。電池で動作する終端ノードでの長い電池寿命の実現を容易にするために、最下位ハブと終端ノードとの間に最小限の送信および受信トラフィックが生じるように、これらのノードとその上位の対応物（以下、最下位ハブと称される）との間の通信が確立されてもよい。
【００２７】
一実施形態では、ノードは、低エネルギーの非コミュニケーション状態でそれらの時間のほとんど（たとえば、それらの時間の９０％超、それらの時間の９５％超、それらの時間のおよそ９８％または９９％超）を費やす。ノードが目覚めてコミュニケーション状態になると、ノードは最下位ハブにデータを送信する働きをする。このデータは、ノード識別情報、センサデータ、ノード状態情報、同期情報、位置推定情報、および無線センサネットワークのための他のそのような情報を含んでもよい。
【００２８】
ＲＦに基づいて２つの物体間の距離を決定するために、距離測定が行われる（すなわち、物体のペア間の距離を推定するためにＲＦ通信が使用される）。これを実現するために、ある装置から別の装置にＲＦ信号が送られる。図３は、一実施形態による飛行時間測定システムを示す。図３に示されるように、送信装置３１０はＲＦ信号３１２を送信し、受信装置３２０はＲＦ信号３１２を受信する。ここで、例示的な無線ネットワークでは、装置３１０はハブまたはノードであってもよく、装置３２０もまたハブまたはノードであってもよい。
【００２９】
図４は、一実施形態による飛行時間測定システムのブロック図を示す。受信装置（たとえば、装置３２０）は、送信装置（たとえば、装置３１０）からの送信を受信して、粗分解能推定器４４０を使用して少なくとも１つの粗推定４４２を生成するとともに、精分解能推定器４５０を使用して無線での２つの装置間の伝播遅延の少なくとも１つの精推定４５２を生成するために、ＲＦ信号４１２を処理する。次いでシステムおよび方法４００は、正確な飛行時間測定値４７０を生成するために粗時間推定４４２および精時間推定４５２を組み合わせるため、コンバイナ４６０を利用する。この飛行時間測定値４７０にはその後、図４に示されるように、距離を計算するために光の速度が乗じられてもよい。
【００３０】
飛行時間測定は、本質的にネットワーク内の動作のタイミングに敏感であり、したがって、測定を実行する装置のクロッキングが重要である。図５は、一実施形態による距離推定のために使用される完全同期システムを示す。完全同期システム５００では、すなわち両方の装置が同じクロック基準を共有する場合、装置５１０はまず、時刻Ｔ１において装置５２０にＲＦ信号５１２（たとえば、パケットを有するＲＦ信号）を送信する。パケットは、時刻Ｔ２に装置５２０に到着し、この時刻Ｔ２を登録するために装置５２０内のパケット検出アルゴリズムを起動する。これは同期システムなので、飛行時間の粗推定はＴ２−Ｔ１として計算され得る。しかしながら、この測定の分解能はサンプリングクロックの時間分解能によって制限されており、その周波数はｆｓ、時間分解能はＴｓとなる。時間分解能は図６に示される。ここで、サンプリングクロックは、システムの時間推定の最大精度を表し、例示的なシステムでは、送信および受信のタイミングを検出するために使用される回路構成を制御するために使用されるクロックの周波数によって設定されてもよい。たとえば、サンプリングクロックが１００ＭＨｚの場合、この測定の分解能は１０ナノ秒（ｎｓ）となり、これはおおむね１０フィートの精度に相当する。
【００３１】
この精度を改善するために、ＲＦ信号５１２が記録され、装置５２０で分析されてもよい。図６は、一実施形態による、記録されたＲＦ信号のパケットが装置５１０から送信された信号のタイムシフトバージョンである様子を示す。サンプルクロック時間間隔（Ｔｓ）で、ＲＦ信号５１２のパケット５１４がＴ２において検出される。受信したパケット５１４の真の開始は、Ｔ２より早いサンプリングクロック周期の部分周期（たとえば、ΔＴ）である。
【００３２】
この部分的な周期（たとえば、ΔＴ）を推定するために、複数の方法が使用可能である。たとえば、時間領域信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して周波数領域に変換され、次いで元の信号のスペクトルによって除されて、チャネルの周波数応答を得ることが可能である。直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）ベースのシステムでは、この情報はチャネル感知情報（ＣＳＩ）から取得されることも可能である。無線での理想チャネルでは、周波数領域でのチャネル応答は、
Ｈ（ｆ）＝Ａｅｊ２πｆΔＴ
である。
【００３３】
ここで、Ａはチャネルの損失、ΔＴはチャネルの遅延である。図７Ａは、一実施形態による理想チャネルの位相応答を示す。縦軸の位相２０２および横軸の周波数２０４のプロットは、２π＊ΔＴに対応する勾配を有する直線としての理想チャネル２１０を示す。
【００３４】
ΔＴとＴ２−Ｔ１とを組み合わせることにより、正確な距離推定が以下のように確立可能である。
【００３５】
距離＝（Ｔ２−Ｔ１−勾配／（２π））×Ｃ
ここで、Ｃは光の速度である。
【００３６】
非理想チャネルの場合には、環境からの多くの反射があり、全体的なチャネル応答は
Ｈ（ｆ）＝ΣＡｋｅｊ２πｆΔＴｋ
で表されることが可能であり、ここでＡｋは各経路の振幅であり、ΔＴｋは各経路の遅延である。その結果、チャネル応答は、位相の直線とは異なる。図７Ｂは、一実施形態による非理想チャネルの位相応答を示す。縦軸の位相２５２および横軸の周波数２５４のプロットは、非理想チャネル２６０を示す。
【００３７】
行列束、ＭＵＳＩＣなどの先進アルゴリズムは、複数経路の最小遅延（ΔＴｋ）を推定するために使用可能であり、距離はこの抽出された最小遅延から計算されることが可能である。
【００３８】
距離＝（Ｔ２−Ｔ１−Ｓ｛Ｈ（ｆ）｝）×Ｃ
ここでＳ｛Ｈ（ｆ）｝は、チャネル応答測定からの最小遅延抽出の結果であり、すなわちこれはｍｉｎ｛ΔＴｋ｝に等しい。
【００３９】
システムを粗推定および精推定に分離することにより、高効率と高性能が同時に実現可能である。粗時間推定器は、精度は低いものの、長距離をカバーすることができる。このような低精度要件により、この推定器は干渉および多重経路に対する感度が低下するが、これは飛行時間測定にとって重要な誤差原因である。粗時間推定を決定するために使用可能な方法は複数ある。たとえば、信号が送信されたときおよび信号が受信されたときの時間を示すタイムスタンプから、粗時間が抽出されることが可能である。あるいは、粗遅延を推定するために、中国剰余定理を使用して複数の搬送波周波数で受信された信号の位相の測定が解除されることも可能である。粗遅延を推定するために、特定のセットの不均一な搬送波周波数を使用する不均一な離散フーリエ変換が使用されることもまた可能である。
【００４０】
一方、精分解能推定器は比較的短い距離をカバーするだけでよいので、システムによって必要とされる計算資源を低減する。精推定は、１つの粗サンプル周期の最大遅延をカバーするためにのみ必要とされる。干渉および多重経路環境での性能を改善するために、この推定器に先進アルゴリズムが適用されることも可能である。この精推定は、多くの方法を使用して導出されることも可能である。たとえば、これは、受信した信号と信号の理想バージョンとの相互相関から導出されることが可能である。これは、受信した信号を使用するチャネル推定から導出されることもまた可能である。チャネル推定は、位相の勾配、逆ＦＦＴ、行列束、ＭＵＳＩＣ、または他の方法を使用することによって、精遅延推定に変換されることが可能である。
【００４１】
線形代数では、行列束は、複素変数λを有する行列値関数として定義される。
【００４２】
Ｌ（λ）＝ΣλｉＡｉ
距離測定のコンテクストでは、チャネル応答は類似の形式
Ｈ（ｆ）＝Ｈ（ｎ＊ｆｓｕｂ）＝ΣＡｋｅｊ２πｆΔＴｋ＝ΣＡｋ（ｅｊ２πｆｓｕｂΔＴｋ）ｎ＝ΣＡｋ（λ）ｎ
を有し、ここで周波数領域測定は、ｆｓｕｂ（副搬送波周波数）によって均一に離間した周波数で実行される。
【００４３】
したがって、このようなシステムの極（λ）を抽出するために、行列束方法が使用可能である。全ての可能な極（λｋ）が測定から抽出されると、各時間遅延は以下のように計算され得る。
【００４４】
ΔＴｋ＝ｌｏｇ（λｋ）／（ｊ２πｆｓｕｂ）
別の実施形態では、多重信号分類（ＭＵＳＩＣ）アルゴリズムが使用されてもよい。ＭＵＳＩＣは、高調波信号の和からなる信号モデリングに基づく。
【００４５】
Ｘ（ｎ）＝ΣＡｋｅｊ＊ｗｋ＊ｎ
行列束の場合と同様に、チャネル応答は以下のように記述され得る。
【００４６】
Ｈ（ｆ）＝Ｈ（ｎ＊ｆｓｕｂ）＝ΣＡｋｅｊ＊２πｆ＊ΔＴｋ＝ΣＡｋｅｊ＊２π＊ｆｓｕｂ＊ΔＴｋ＊ｎ
次に、アルゴリズムは測定結果Ｘ（ｎ）に基づいてＡｋおよびｗｋを抽出し、遅延要素は以下のように計算され得る。
【００４７】
ΔＴｋ＝ｗｋ／（２πｆｓｕｂ））
本明細書に記載されるシステムでは、雑音、数値誤差、およびその他のこのような制限により、誤った遅延が推定される可能性がある。実際よりも長い時間遅延が推定された場合、距離関連の遅延計算には最短の遅延しか使用されないので、時間遅延結果は影響を受けない。一方、短い飛行時間遅延が推定された場合には、実際の飛行時間遅延として誤認される可能性がある。したがって、時間遅延精度を改善するために、誤った短経路を排除することが重要である。したがって、一実施形態では、この誤差を修正するためのシステムが実装される。
【００４８】
無線環境では、信号の振幅は、自由空間経路損失によって説明されるように、距離とともに二次的に減少する。したがって、遅延推定アルゴリズムから抽出された短い方の経路は、より高い振幅を有することが期待される。するとこの予測は、誤った短経路推定を排除するために使用される。受信信号の振幅は、推定された距離の二乗に推定された振幅を乗じることによって正規化されることが可能である。この正規化された振幅が特定の閾値よりも低い場合、この経路の推定は雑音またはアルゴリズム制限のいずれかによることを示すので、排除されてもよい。
【００４９】
実際には、実際の信号強度は、壁、窓、反射などを含む経路上で被る付加的な損失にも依存する。前述の閾値は、これらの要因によって期待される損失に応じて設定されるか、または経験的データに応じて設定されることが可能である。
【００５０】
一例では、経路推定アルゴリズムは５つの経路を生成することができる。これらの経路のうちの１つは雑音によって生成された可能性があり、実際の視線（ＬＯＳ）遅延が４０ｎｓであるときのＴｏＦ遅延推定は２０ｎｓである。これは図８Ａおよび図８Ｂに示されている。図８Ａは、一実施形態によるプロット８３０の５つの例示的な経路に関連付けられた遅延の関数としての測定信号振幅を示す。プロット８３０は、横軸に５つの経路のＴｏＦ遅延（ｎｓ）８４２および縦軸に測定信号振幅（ｄＢ）８４０を示す。データ点８５１から８５５は、５つの経路の異なるＴｏＦ遅延の測定信号振幅を表す。データ点８５１は、４０ｎｓの実際のＬＯＳ遅延よりも短い２０ｎｓのＴｏＦ遅延を有することによる、誤りの可能性のある短経路を表す。ＬＯＳ振幅は１であり、データ点８５１に関連する誤った短経路の振幅は０．１であり得る。振幅は、距離の二乗によって正規化され得るので、ＬＯＳ振幅は１であり、誤った経路の正規化された振幅は０．０２５である。ＴｏＦ遅延に対する振幅のこのような正規化は、一実施形態による図８Ｂのプロット８６０に示されている。プロット８６０は、横軸に５つの経路のＴｏＦ遅延（ｎｓ）８６２および縦軸に信号振幅（ｄＢ）８６４の正規化を示す。データ点８７１から８７５は、５つの経路の異なるＴｏＦ遅延の測定振幅の正規化を表す。データ点８７１は、４０ｎｓの実際のＬＯＳ遅延よりも短い２０ｎｓのＴｏＦ遅延を有することによる、誤りの可能性のある短経路を表す。データ点８７１に関連付けられた誤った経路の正規化された振幅は、ＬＯＳ振幅よりも３２ｄＢ低い。一例では、環境要因から最大３０ｄＢの損失（経路損失を除く）が期待される場合には、データ点８７１に関連付けられた２０ｎｓの経路が誤った短経路推定として排除され得る。
【００５１】
閾値自体は、短距離対長距離で期待される環境的損失の量の主な原因となる経路長の関数であってもよい。他の実装はまた、閾値の設定に、物理ハードウェアのダイナミックレンジ（たとえば、ハブ、センサノードなどのＲＦ受信機の信号レベルのダイナミック動作レンジ）も組み込むことができる。
【００５２】
別の実施形態では、飛行時間推定に非同期システムが使用される。２つの装置が非同期である場合、装置間のタイミングオフセットは、遅延推定に大きな誤差を導入する可能性がある。上記の設定は、この問題を緩和するために双方向システムに及ぶことができる。図８Ｃは、別の実施形態による、飛行時間推定のために使用される非同期システムを示す。装置８１０は、まず、時刻Ｔ１においてパケットを有するＲＦ信号８１２を装置８２０に送信する。パケットは、時刻Ｔ２に装置８２０に到着し、この時刻を記録するために装置８２０内のパケット検出アルゴリズムを起動する。次に、装置８２０は、時刻Ｔ３にパケットを有する信号８２２を送り返し、これは時刻Ｔ４に装置８１０に到着し、時刻を登録して波形を処理するために装置８１０を起動する。完全同期システムの場合とは異なり、Ｔ１およびＴ４は装置８１０に記録された時刻なので、その基準クロックとして参照されることに留意されたい。Ｔ２およびＴ３は、装置８２０の時刻基準に基づいて記録される。粗時間推定は、以下のように行われる。
【００５３】
２×ＴｏＦ＝（Ｔ４−Ｔ１）−（Ｔ３−Ｔ２）
Ｔ４およびＴ１は同じクロックでサンプリングされるので、Ｔ４とＴ１との間には任意の位相がない。したがって、Ｔ４−Ｔ１は正確な時間であり、Ｔ３−Ｔ２にも同じ原理が適用される。したがって、この測定は、このシステムの非同期性に起因する２つの装置間の位相ふらつきの影響を受けない。先の実施形態と同様に、この測定は、Ｔ１／Ｔ２／Ｔ３／Ｔ４のサンプリングクロック周期の分解能によって制限される。この精度を改善するために、両方の装置で周波数応答測定が実行されることが可能である。装置８２０は装置８１０からのパケットを使用してチャネル応答を測定し、装置８１０は装置８２０からのパケットを使用してチャネル応答を測定する。２つの装置は同期していないので、２つのクロック間には位相の不確実性があり、ここではＴｏｆｆｓｅｔで表される。クロックのこの位相オフセットは、両側のチャネル応答測定の余分な位相として現れるが、両側からのチャネル応答を乗じることによって排除されることが可能である。チャネル応答が以前と同じであると仮定すると、装置８２０からの測定は、以下の通りである。
【００５４】
Ｈ８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ−ｊ２πｆＴｏｆｆｓｅｔ
装置＃１からの測定は、以下の通りである。
【００５５】
Ｈ８１０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）ｅ＋ｊ２πｆＴｏｆｆｓｅｔ
したがって、結合されたチャネル応答は、
Ｈ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）＝Ｈ（ｆ）２＝（ΣＡｋｅ−ｊ２πｆΔＴｋ）２
となり、２つのクロック間の位相差を相殺する。先の実施形態と同様に、２ｍｉｎ｛ΔＴｋ｝となるＨ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）からの遅延を推定するために、行列束、ＭＵＳＩＣなどのアルゴリズムが使用可能であり、距離測定は下記によって与えられる。
【００５６】
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８１０（ｆ）Ｈ８２０（ｆ）｝／２］×Ｃ
あるいは、Ｔｏｆｆｓｅｔは下記から推定可能である。
【００５７】
Ｈ８１０（ｆ）／Ｈ８２０（ｆ）＝ｅ＋２ｊ２πｆＴｏｆｆｓｅｔ
Ｔｏｆｆｓｅｔは、除されたチャネル応答の位相勾配の半分である。いずれの方向のチャネル応答も、計算されたオフセットによって修正可能である。すると距離推定は、以下のように計算可能である。
【００５８】
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８１０（ｆ）｝−Ｔｏｆｆｓｅｔ］×Ｃ
または
距離＝［（Ｔ４−Ｔ１）／２−（Ｔ３−Ｔ２）／２−Ｓ｛Ｈ８２０（ｆ）｝＋Ｔｏｆｆｓｅｔ］×Ｃ
この方法は、乗算方法に対する利点を有する。Ｈ（ｆ）２チャネル応答は、各経路の振幅および距離の２倍の項と、２経路置換ごとの交差項とを含む。これは２経路の場合、Ａ８１０２ｅｊ２πｆ２ΔＴ１、Ａ８２０２ｅｊ２πｆ２ΔＴ２、およびＡ８１０Ａ８２０ｅｊ２πｆ（ΔＴ１＋ΔＴ２）である。精推定方法は、ダイナミックレンジを識別および低減する経路が少ないので、一方向チャネル応答Ｈ（ｆ）に適用されたときにはより効果的で雑音に強い。
【００５９】
上述の短経路排除アルゴリズムは、上記で開示されたものなどの非同期システムで使用されることも可能である。
【００６０】
上記の実施形態から明らかなように、タイミングの測定は、距離推定の確立にとって重要である。タイミングの誤差は、距離測定の精度を低下させる可能性がある。タイミング誤差はしばしば無線システム内に存在する。たとえば、様々な信号強度の信号に対する堅牢な受信機動作を保証するために、自動利得制御（ＡＧＣ）が一般的に使用される。動作中、ＡＧＣ段は、利得に基づいて変動する遅延を有する可能性がある。したがって、これらの遅延の変動は、ＴＯＦ推定の不確実性を増加させる可能性がある。一実施形態では、この誤差は、較正を通じて最小限に抑えられることが可能である。ＡＧＣ段利得の関数としての遅延は、予め測定され、基準遅延からこのような偏差を減じることによって、実際のＴＯＦ測定中のタイミングを修正するために使用されてもよい。図９は、一実施形態による自動利得制御を有するＲＦ回路構成を示す。ＲＦ回路構成９００（たとえば、１５５０、１６７０、１６９２、１７７０、１８７０など）は、本開示の実施形態に記載されるように、いずれの無線ノード（たとえば、ハブ、センサノード）に含まれることも可能である。ＲＦ回路構成９００は、ＲＦ信号を受信し、ＲＦ信号を所望の中間周波数にダウンコンバートするために同相直交（Ｉ／Ｑ）ダウンコンバージョンユニット９２０に送られる増幅信号を生成するための、低雑音増幅器を含む。可変利得増幅器９３０が中間周波数信号を増幅し、次いでアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）が増幅信号をベースバンド信号に変換する。ＡＧＣ９５０は、その入力９４２の振幅の変化にもかかわらずその出力９５２において制御された信号振幅を提供する、閉ループフィードバック調整回路である。上述のように、ＡＧＣ段利得（たとえば、ＡＧＣ９５０）の関数としての遅延は、予め測定され、基準の予め測定された遅延からこのような偏差を減じることによって、実際のＴＯＦ測定中のタイミングを修正するために使用されてもよい。同様に、フィルタ遅延などのその他の較正済みシステム構成もまた、予め測定されて差し引かれてもよい。
【００６１】
上記で示されたように、非同期システムでは、計算のために２つの装置からの情報が組み合わせられる必要がある。これを行うために、一実施形態では、装置のうちの１つは、先に述べられた同じＲＦ信号（たとえば、８１２、８２２、１０２２、１０２３）を使用するか、または２ウェイＴｏＦ測定システム１０００の一実施形態で図１０に示されるように、独立したＲＦ信号経路１０２４を使用して、他の装置に情報を送ることができる。
【００６２】
図１１は、代替実施形態による非同期システム１１００を示す。装置１１１０および１１２０は、同じＲＦ信号１１１２および１１１３または独立したＲＦ信号１１２２および１１２３を通じて、それらの情報を第３の装置１１３０に送ることができ、第３の装置１１３０は、飛行時間を計算するために情報を処理して組み合わせることができる。
【００６３】
ネットワーク上の様々なペアの間の距離が確立されると、情報は、ネットワークの様々な構成要素の相対および／または絶対位置の推定のため、ネットワーク内の１つ以上の構成要素に、またはネットワーク外のシステムにさえ、渡されることが可能である。これは、様々な技術を使用して実行され得る。たとえば、当業者に周知のように、三角測量手法が使用されてもよい。精度を改善して位置推定の誤差を低減するために、最小二乗手法などの誤差最小化技術が使用されてもよい。このような手法は、様々なペアの距離推定において生成された冗長情報を利用することによって、上記実施形態における距離推定に関連付けられた任意の誤差を低減するために使用されてもよい。決定された距離データに基づいて位置推定を実行するために使用される他の技術は、多次元尺度構成法、自己位置決めアルゴリズム、地形アルゴリズム、協調マルチラテレーション、分散最大尤度、双曲位置固定、移動地理的分散位置推定、弾性位置推定アルゴリズム、および他のそのようなアンカーフリーおよびアンカーベースの位置推定アルゴリズムを含む。
【００６４】
本明細書において決定される位置推定情報は、無線センサネットワークの動作を容易にするためまたは改善するために使用されてもよい。例示的な無線センサネットワークは、参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年８月１９日に出願された米国特許出願１４／９２５，８８９号明細書に開示されている。位置推定は、ネットワーク内の論理的および／または機能的関係を確立するために使用されてもよい。一例示的実施形態において、位置推定情報は、図２に示されるような、通常はツリー状のネットワークのコンステレーションとのノード間通信を可能にするセンサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために、使用されてもよい。この実施形態では、位置推定は、同じコンステレーション内に割り当てられるべきノードを識別するために使用される。これらはその後、ハブを経由することなく互いに直接通信してもよい。この手法の利点は、三角測量で残った距離推定の誤差がネットワークの致命的な故障を引き起こさないことである。むしろ、これらの誤差はせいぜいコンステレーションの誤った割り当てをもたらすだけである。重複するコンステレーション割り当てまたは緩いコンステレーション割り当てルールの使用は、これが望ましくない方法でネットワーク性能に影響を及ぼすのを防止するために、さらに使用されてもよい。
【００６５】
一実施形態では、位置アルゴリズムはアンカーベースの三角測量を含む。アンカーベースのシステムでは、アンカーノード（たとえば、ハブ、センサ、装置など）の位置がわかっている。他の装置の未知の位置は、アンカーの既知の位置、ならびに各装置と各アンカーとの間の測定距離に基づいて計算される。これらの未知の装置の位置は、同じ手順で１つずつ計算される。装置の各々について、アンカーとの測定距離は、
【数１】
2019523864.tif 000003
【００６６】
ここで、ｘｉ、ｙｉ、およびｚｉはｉ番目のアンカーの座標であり、ｄｉは未知の装置とｉ番目のアンカーとの間の測定距離であり、ｘ、ｙ、およびｚは未知の装置の座標であって、これが推定の目標である。推定のために異なる誤差関数を設定することにより、未知の装置の位置（ｘ、ｙ、ｚ）を計算するために線形最小二乗法を使用することができる。
【００６７】
別の実施形態では、アンカーなしの三角測量設定で、いずれの装置についても既知の位置がない。アルゴリズムは、各装置の相対位置を決定するために、装置のペア間の距離測定を使用しなければならない。距離測定の全体的な誤差を最小化するために、全ての装置の相対位置を見つけることを目標とする。増分アルゴリズムおよび並列処理アルゴリズムを含む、多くのタイプのアルゴリズムがある。増分アルゴリズムは、少数の装置のセットから始まり、距離測定に基づいてこれらの位置を計算する。少数の装置のセットはその後、他の装置のためのアンカーノードとして使用される。これは単純なアルゴリズムであるが、初期のノードの位置を更新する先進アルゴリズムを使用したとしても、初期に計算されたノードの誤差が後のノードに容易に伝播するという不都合がある。
【００６８】
並列処理アルゴリズムは増分アルゴリズムよりも低い誤差で大域的最適解を達成するために全ての位置を同時に推定するため、並列処理アルゴリズムは増分アルゴリズムの問題を解決する。これは通常、装置の位置を更新するために反復プロセスを使用するので、より多くの計算能力およびメモリを使用しながら収束するまでにより多くの時間がかかる。
【００６９】
一実施形態による飛行時間技術を使用してノードの位置推定を決定するための方法を示す図である。方法１２００の動作は、処理回路構成または処理論理回路を含む、無線装置、ハブの無線制御装置（たとえば、機器）、またはシステムによって実行されてもよい。処理論理回路は、ハードウェア（回路構成、専用論理回路など）、ソフトウェア（汎用コンピュータシステムまたは専用機械または装置上で動作するものなど）、またはこれらの組み合わせを含んでもよい。一実施形態では、ハブが方法１２００の動作を実行する。
【００７０】
無線ネットワークアーキテクチャの初期化時に、動作１２０１において、処理論理回路は、遅延を有する少なくとも１つの構成要素（たとえば、ＲＦ回路構成の自動利得制御（ＡＧＣ）段、ＲＦ回路構成のフィルタ段など）を較正する。少なくとも１つの構成要素の較正は、少なくとも１つの構成要素（たとえば、利得の関数としてのＡＧＣ段、フィルタ段）の遅延を測定するステップと、測定遅延と少なくとも１つの構成要素の基準遅延との間に偏差が存在するか否かを決定するステップと、偏差が存在する場合に決定された飛行時間推定のタイミングを修正するステップとを含んでもよい。較正は通常、無線ネットワークアーキテクチャの初期化の間に行われる。あるいは、較正は、方法１２００の後の時点で行われてもよい。
【００７１】
動作１２０２において、無線周波数（ＲＦ）回路構成および少なくとも１つのアンテナを有するハブは、無線ネットワークアーキテクチャ（たとえば、無線非対称ネットワークアーキテクチャ）内の複数のセンサノードに通信を送信する。動作１２０３において、ハブのＲＦ回路構成および少なくとも１つのアンテナは、無線ネットワークアーキテクチャ内のハブのＲＦ回路構成との双方向通信を可能にするために、送信機および受信機を有する無線装置を各々有する複数のセンサノードから、通信を受信する。動作１２０５において、無線制御装置を有するハブの処理論理回路は、まず、センサノードの無線ネットワークを、ある期間（たとえば、所定の期間、位置推定に十分な期間など）にわたってメッシュベースのネットワークアーキテクチャとして構成させる。
【００７２】
動作１２０６において、ハブの処理論理回路は、少なくとも１つの飛行時間技術、および場合により本明細書で開示される様々な実施形態で論じられたような信号強度技術を使用して、少なくとも２つのノード（または全てのノード）の位置推定を決定する。
【００７３】
動作１２０８において、少なくとも２つのネットワークセンサノードの位置推定が完了すると、ハブの処理論理回路は、いずれかの飛行時間測定が行われていれば飛行時間測定を終了し、少なくとも２つのノードとの通信の信号強度を監視し続ける。同様に、少なくとも２つのノードは、ハブとの通信の信号強度を監視してもよい。動作１２１０において、ハブの処理論理回路は、位置推定の完了時に無線ネットワークをツリーベースまたはツリー状ネットワークアーキテクチャ（またはメッシュベースの特徴を持たないツリーアーキテクチャ）で構成する。
【００７４】
本明細書で開示されるようなハブとノードとの間の通信は、無線周波数を使用する直接無線通信、家、アパート、商業ビルディングなどの中の電気配線上に信号を変調することによって実現される電力線通信、８０２．１１ａ、８０２．１１ｂ、８０２．１１ｎ、８０２．１１ａｃなどの標準ＷｉＦｉ通信プロトコルおよび当業者にとって明らかな他のこのようなＷｉＦｉ通信プロトコルを使用するＷｉＦｉ通信、ＧＰＲＳ、ＥＤＧＥ、３Ｇ、ＨＳＰＤＡ、ＬＴＥ、および当業者にとって明らかな他の移動体通信プロトコルなどの移動体通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信、Ｚｉｇｂｅｅなどの公知の無線センサネットワークを使用する通信、ならびに当業者にとって明らかな他の有線ベースまたは無線の通信方式を含むがこれらに限定されない、様々な手段を使用して実現されてよい。
【００７５】
終端ノードとハブとの間の無線周波数通信の実装は、狭帯域、チャネル重複、チャネルステッピング、マルチチャネル広帯域、および超広帯域通信を含む、様々な方法で実装されてよい。
【００７６】
ハブは、本発明の実施形態にしたがって、多くの方法で物理的に実装されてよい。図１３Ａは、一実施形態による電源コンセントのためのオーバーレイ１５００として実装されたハブの例示的実施形態を示す。オーバーレイ１５００（たとえば、フェースプレート）は、ハブ１５１０と、ハブを電気コンセント１５０２に結合する接続部１５１２（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）とを含む。あるいは（またはこれに加えて）、ハブはコンセント１５０４に結合されている。オーバーレイ１５００は、安全性および美的目的のため、電気コンセント１５０２および１５０４を被覆または包囲する。
【００７７】
図１３Ｂは、一実施形態による電源コンセントのためのオーバーレイとして実装されたハブ１５２０のブロック図の分解図の例示的実施形態を示す。ハブ１５２０は、周期的に方向転換する交流電流（ＡＣ）を一方向のみに流れる直流電流（ＤＣ）に変換する、電源整流器１５３０を含む。電源整流器１５３０は、接続部１５１２（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコンセント１５０２からＡＣを受け取り、接続部１５３２（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１５４０に電力を供給するため、ならびに接続部１５３４（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してＲＦ回路構成１５５０に電力を供給するため、ＡＣをＤＣに変換する。コントローラ回路１５４０は、メモリ１５４２を含むか、または本明細書で論じられたような無線非対称ネットワークの位置推定を形成、監視、および実行するようにハブの動作を制御するためにコントローラ回路１５４０の処理論理回路１５４４（たとえば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合されている。ＲＦ回路構成１５５０は、（１または複数の）アンテナ１５５２を介した無線センサノードとの双方向通信を送信および受信するための、トランシーバまたは別個の送信機１５５４および受信機１５５６機能を含んでもよい。ＲＦ回路構成１５５０は、接続部１５３４（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１５４０と双方向に通信する。ハブ１５２０は、無線制御装置１５２０またはコントローラ回路１５４０であってもよく、ＲＦ回路構成１５５０と（１または複数の）アンテナ１５５２の組み合わせは本明細書で開示される無線制御装置を形成してもよい。
【００７８】
図１４Ａは、一実施形態による、コンピュータシステム、家電、または通信ハブ内で展開するためのカードとして実装されるハブの例示的実施形態を示す。カード１６６２は、矢印１６６３で示されるように、システム１６６０（たとえば、コンピュータシステム、家電、または通信ハブ）に挿入されることが可能である。
【００７９】
図１４Ｂは、一実施形態による、コンピュータシステム、家電、または通信ハブ内で展開するためのカードとして実装されるハブ１６６４のブロック図の例示的実施形態を示す。ハブ１６６４は、接続部１６７４（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１６６８に電力（たとえば、ＤＣ電源）を供給し、接続部１６７６（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してＲＦ回路構成１６７０に電力を供給する、電源１６６６を含む。コントローラ回路１６６８は、メモリ１６６１を含むか、または本明細書で論じられたような無線非対称ネットワークの位置推定を形成、監視、および実行するようにハブの動作を制御するためにコントローラ回路１６６８の処理論理回路１６６３（たとえば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合されている。ＲＦ回路構成１６７０は、（１または複数の）アンテナ１６７８を介した無線センサノードとの双方向通信を送信および受信するための、トランシーバまたは別個の送信機１６７５および受信機１６７７機能を含んでもよい。ＲＦ回路構成１６７０は、接続部１６７２（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１６６８と双方向に通信する。ハブ１６６４は、無線制御装置１６６４またはコントローラ回路１６６８であってもよく、ＲＦ回路構成１６７０と（１または複数の）アンテナ１６７８の組み合わせは本明細書で開示される無線制御装置を形成してもよい。
【００８０】
図１４Ｃは、一実施形態による、家電（たとえば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、その他のスマート家電など）内で実装されたハブの例示的実施形態を示す。家電１６８０（たとえば、スマート洗濯機）は、ハブ１６８２を含む。
【００８１】
図１４Ｄは、一実施形態による、家電（たとえば、スマート洗濯機、スマート冷蔵庫、スマートサーモスタット、その他のスマート家電など）内で実装されたハブ１６８４のブロック図の分解図の例示的実施形態を示す。ハブは、接続部１６９６（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１６９０に電力（たとえば、ＤＣ電源）を供給し、接続部１６９８（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してＲＦ回路構成１６９２に電力を供給する、電源１６８６を含む。コントローラ回路１６９０は、メモリ１６９１を含むか、または本明細書で論じられたような無線非対称ネットワークの位置推定を形成、監視、および実行するようにハブの動作を制御するためにコントローラ回路１６９０の処理論理回路１６８８（たとえば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリに結合されている。ＲＦ回路構成１６９２は、（１または複数の）アンテナ１６９９を介した無線センサノードとの双方向通信を送信および受信するための、トランシーバまたは別個の送信機１６９４および受信機１６９５機能を含んでもよい。ＲＦ回路構成１６９２は、接続部１６８９（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１６９０と双方向に通信する。ハブ１６８４は、無線制御装置１６８４またはコントローラ回路１６９０であってもよく、ＲＦ回路構成１６９２と（１または複数の）アンテナ１６９９の組み合わせは本明細書で開示される無線制御装置を形成してもよい。
【００８２】
一実施形態では、無線非対称ネットワークアーキテクチャを提供するための機器（たとえば、ハブ）は、命令を格納するためのメモリと、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の通信を確立および制御するための命令を実行するためのハブの処理論理回路（たとえば、１つ以上の処理ユニット、処理論理回路１５４４、処理論理回路１６６３、処理論理回路１６８８、処理論理回路１７６３、処理論理回路１８８８）と、無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するための複数のアンテナ（たとえば、（１または複数の）アンテナ１５５２、（１または複数の）アンテナ１６７８、（１または複数の）アンテナ１６９９、アンテナ１３１１、１３１２、および１３１３など）を含む無線周波数（ＲＦ）回路構成（たとえば、ＲＦ回路構成１５５０、ＲＦ回路構成１６７０、ＲＦ回路構成１６９２、ＲＦ回路構成１８９０）とを含む。無線非対称ネットワークアーキテクチャ内の機器のＲＦ回路構成との双方向通信を可能にするために送信機および受信機（またはトランシーバの送信機および受信機機能）を有する無線装置を各々有する複数のセンサノード（たとえば、ノード１、ノード２）に通信を送信するための、ＲＦ回路構成および複数のアンテナ。
【００８３】
一例では、第１無線ノードは、１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を含む。第２無線ノードは、第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための、送信機および受信機を有する無線装置を含む。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定および第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【００８４】
一例では、機器は主電源によって電力供給され、複数のセンサノードは、無線ネットワークアーキテクチャを形成するために電池電源によって各々電力供給される。
【００８５】
無線センサノードでは、リチウムイオン、リチウムポリマー、リン酸リチウム、および当業者にとって明らかな他のこのような化学物質などのリチウムベースの化学物質を含む、様々な電池が使用可能である。使用可能な追加の化学物質は、ニッケル金属水素化物、標準アルカリ電池化学物質、銀亜鉛および亜鉛空気電池化学物質、標準炭素亜鉛電池化学物質、鉛酸電池化学物質、または当業者にとって明白ないずれか他の化学物質を含む。
【００８６】
本発明はまた、本明細書に記載される動作を実行するための機器にも関する。この機器は、必要とされる目的のために特別に構築されてもよく、またはコンピュータ内に格納されたコンピュータプログラムによって選択的に作動または再構成された汎用コンピュータを備えてもよい。このようなコンピュータプログラムは、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、および光磁気ディスクを含むいずれかのタイプのディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気または光カード、または電子命令を格納するのに適したいずれかのタイプの媒体などの、ただしこれらに限定されない、コンピュータ可読記憶媒体に格納されてもよい。
【００８７】
本発明で提示されたアルゴリズムおよびディスプレイは、本質的にいずれか特定のコンピュータまたはその他の機器に関連するものではない。様々な汎用システムが、本明細書の教示によるプログラムとともに使用されてもよく、または必要とされる方法動作を実行するためのより専門的な機器を構築することが好都合であるとわかるかも知れない。
【００８８】
図１５は、一実施形態によるセンサノードのブロック図を示す。センサノード１７００は、接続部１７７４（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１７２０に電力（たとえば、ＤＣ電源）を供給し、接続部１７７６（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してＲＦ回路構成１７７０に電力を供給し、接続部１７４６（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介して検知回路構成１７４０に電力を供給する、電力源１７１０（たとえば、エネルギー源、電池電源、一次セル、充電式セルなど）を含む。コントローラ回路１７２０は、本明細書で論じられたような無線非対称ネットワークを形成および監視するためのセンサノードの動作を制御するためのコントローラ回路１７２０の処理論理回路１７６３（たとえば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリ１７６１を含むか、またはメモリに結合されている。ＲＦ回路構成１７７０（たとえば、通信回路構成）は、（１または複数の）アンテナ１７７８を介した（１または複数の）ハブおよび任意選択的な無線センサノードとの双方向通信を送信および受信するためのトランシーバまたは別個の送信機１７７５および受信機１７７７機能を含んでもよい。ＲＦ回路構成１７７０は、接続部１７７２（たとえば、電気接続部）を介してコントローラ回路１７２０と双方向に通信する。検知回路構成１７４０は、（１または複数の）画像センサおよび回路構成１７４２、（１または複数の）水分センサおよび回路構成１７４３、（１または複数の）温度センサおよび回路構成、（１または複数の）湿度センサおよび回路構成、（１または複数の）空気質センサおよび回路構成、（１または複数の）光センサおよび回路構成、（１または複数の）モーションセンサおよび回路構成１７４４、（１または複数の）オーディオセンサおよび回路構成１７４５、（１または複数の）磁気センサおよび回路構成１７４６、ならびに（１または複数の）センサおよび回路構成ｎなどを含む、様々なタイプの検知回路構成および（１または複数の）センサを含む。
【００８９】
本明細書で開示される無線位置推定技術は、ネットワーク全体の位置推定精度を改善するために、他の検知情報と組み合わせられてもよい。たとえば、ノードのうちの１つ以上がカメラを含む無線センサでは、監視対象のセンサノードが同じシーンを見ているか否か、および同様に同じ部屋の中でありそうか否かを判断するために、画像処理および機械学習技術とともに撮影画像が使用され得る。周期的な照明および光検出器を使用することによって類似の利益が実現され得る。照明をストロボして光検出器を用いて検出することによって光路が検出可能であり、多分ストロボと検出器との間に不透明な壁が存在することを示すことができる。他の実施形態では、監視対象のセンサノードの配向を検出するために、磁気センサがセンサノードに組み込まれ、コンパスとして使用されることが可能である。この情報はその後、センサが壁、床、天井、または他の位置にあるかどうかを判断するために、位置推定情報とともに使用されることが可能である。
【００９０】
一例では、各センサノードは画像センサを含んでもよく、家の各外壁は１つ以上のセンサノードを含む。ハブは、各センサノードの絶対位置を決定するために、位置推定情報とともに画像データおよび任意選択的に配向データを含むセンサデータを分析する。次いでハブは、ユーザのために建物の各部屋の三次元画像を作成することができる。間取図は、壁、窓、ドアなどの位置を用いて生成され得る。画像センサは、家の完全性の問題（たとえば、水、雨漏りなど）を示す反射の変化を示す画像を撮影することができる。
【００９１】
図１６は、一実施形態によるハブを有するシステム１８００のブロック図を示す。システム１８００は、無線非対称ネットワークアーキテクチャのハブ１８８２または中央ハブを含むか、またはこれと統合されている。システム１８００（たとえば、計算装置、スマートテレビ、スマート家電、通信システムなど）は、無線通信を送信および受信するためのいずれかのタイプの無線装置（たとえば、携帯電話、無線電話、タブレット、計算装置、スマートテレビ、スマート家電など）と通信してもよい。システム１８００は、コントローラ１８２０および処理ユニット１８１４を含む処理システム１８１０を含む。処理システム１８１０は、それぞれ１つ以上の双方向通信リンクまたは信号線１８９８、１８１８、１８１５、１８１６、１８１７、１８１３、１８１９、１８１１を介して、ハブ１８８２、入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット１８３０、無線周波数（ＲＦ）回路構成１８７０、オーディオ回路構成１８６０、１つ以上の画像または動画を撮影するための光学装置１８８０、システム１８００のためのモーションデータ（たとえば、三次元）を決定するための任意選択によるモーションユニット１８４４（たとえば、加速度計、ジャイロスコープなど）、電力管理システム１８４０、および機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０と通信する。
【００９２】
ハブ１８８２は、接続部１８８５（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１８８４に電力（たとえば、ＤＣ電源）を供給し、かつ接続部１８８７（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してＲＦ回路構成１８９０に電力を供給する、電源１８９１を含む。コントローラ回路１８８４は、本明細書で論じられたような無線非対称ネットワークを形成および監視するためのハブの動作を制御するためのコントローラ回路１８８４の処理論理回路１８８８（たとえば、１つ以上の処理ユニット）によって実行される命令を格納するメモリ１８８６を含むか、またはメモリに結合されている。ＲＦ回路構成１８９０は、（１または複数の）アンテナ１８９６を介した無線センサノードまたは他のハブとの双方向通信を送信および受信するための、トランシーバまたは別個の送信機（ＴＸ）１８９２および受信機（ＲＸ）１８９４機能を含んでもよい。ＲＦ回路構成１８９０は、接続部１８８９（たとえば、通信リンク、信号線、電気接続部など）を介してコントローラ回路１８８４と双方向に通信する。ハブ１８８２は、無線制御装置１８８４またはコントローラ回路１８８４であってもよく、ＲＦ回路構成１８９０と（１または複数の）アンテナ１８９６の組み合わせは本明細書で開示される無線制御装置を形成してもよい。
【００９３】
システムのＲＦ回路構成１８７０および（１または複数の）アンテナ１８７１またはハブ１８８２のＲＦ回路構成１８９０および（１または複数の）アンテナ１８９６は、無線リンクを通じて本明細書で論じられたハブまたはセンサノードの１つ以上の他の無線装置に情報を送信および受信するために使用される。オーディオ回路構成１８６０は、オーディオスピーカ１８６２およびマイクロフォン１０６４に結合されており、音声信号を処理するための既知の回路構成を含む。１つ以上の処理ユニット１８１４は、コントローラ１８２０を介して１つ以上の機械アクセス可能な非一時的媒体１８５０（たとえば、コンピュータ可読媒体）と通信する。媒体１８５０は、１つ以上の処理ユニット１８１４による使用のためのコードおよび／またはデータを格納することができる、いずれの装置または媒体（たとえば、記憶装置、記憶媒体）であってもよい。媒体１８５０は、キャッシュ、メインメモリ、および二次メモリを含むがこれらに限定されない、メモリ階層を含むことができる。
【００９４】
媒体１８５０またはメモリ１８８６は、本明細書に記載される方法または機能のいずれか１つ以上を実現する、１つ以上の命令セット（またはソフトウェア）を格納する。ソフトウェアは、オペレーティングシステム１８５２、無線非対称ネットワークアーキテクチャを確立、監視、および制御するためのネットワークサービスソフトウェア１８５６、通信モジュール１８５４、およびアプリケーション１８５８（たとえば、家または建物のセキュリティアプリケーション、家または建物の統合性アプリケーション、デベロッパアプリケーションなど）を含んでもよい。ソフトウェアはまた、媒体１８５０、メモリ１８８６、処理論理回路１８８８の中に、または装置１８００によるその実行の間は処理ユニット１８１４の中に、完全にまたは少なくとも部分的に存在してもよい。図１８に示される構成要素は、１つ以上の信号処理および／または特定用途向け集積回路を含む、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらのいずれかの組み合わせにおいて実装されてもよい。
【００９５】
通信モジュール１８５４は、他の装置との通信を可能にする。Ｉ／Ｏユニット１８３０は、異なるタイプの入出力（Ｉ／Ｏ）装置１８３４（たとえば、ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、陰極線管（ＣＲＴ）、タッチディスプレイ装置、またはユーザ入力を受け付けて出力を表示するためのタッチスクリーン、任意選択的な英数字入力装置）と通信する。
【００９６】
一例では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置推定のための非同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、第１パケットを有する第１ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードと、第２パケットを有する第２ＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードとを備える。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定および第１および第２無線ノードのチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【００９７】
別の例では、第１無線ノードは第１基準クロック信号を有し、第２無線ノードは第２基準クロック信号を有する。
【００９８】
別の例では、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定は、第１無線ノードが第１パケットを送信する第１の時間、第２無線ノードが第１パケットを受信する第２の時間、第２無線ノードが第２パケットを送信する第３の時間、および第１無線ノードが第２パケットを受信する第４の時間に基づく。
【００９９】
別の例では、第１無線ノードのチャネル感知情報は、第２パケットのチャネル応答の第１測定値を備え、第２無線装置のチャネル感知情報は、第１パケットのチャネル応答の第２測定値を備える。
【０１００】
別の例では、結合されたチャネル応答は、第１および第２基準クロック信号間の位相差を相殺するために、第１測定値および第２測定値を乗じるステップを備える。
【０１０１】
別の例では、除されたチャネル応答は、第１および第２基準クロック信号間の位相差を推定するために、第１測定値を第２測定値で除するステップを備える。
【０１０２】
別の例では、第２パケットのチャネル応答の第１測定値および第１パケットのチャネル応答の第２測定値から複数経路の最小遅延を推定するために、行列束およびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが使用される。
【０１０３】
別の例では、位置推定のための飛行時間推定は、第１および第２パケットの往復飛行時間の時間推定および複数経路の最小遅延に基づいて第１および第２無線ノード間の距離を決定するステップを備える。
【０１０４】
別の例では、第１および第２無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードなしの三角測量に基づいて第１および第２無線ノードの相対位置または絶対位置を決定するために使用される。
【０１０５】
別の例では、第１および第２無線ノード間の距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置推定情報を決定するために使用される。
【０１０６】
別の例では、１つ以上の処理ユニットと、無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第３無線ノードは、第１無線ノードからの第１ＲＦ情報信号および第２無線ノードからの第２ＲＦ情報信号を含む。第３無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第１および第２ＲＦ情報信号に基づいて位置推定のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【０１０７】
一例では、無線ネットワークアーキテクチャにおけるノードの位置推定のための同期システムは、１つ以上の処理ユニットと、パケットを有するＲＦ信号を含む無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードを備える。第２無線ノードは、１つ以上の処理ユニットと、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を含む。第２無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、パケットの飛行時間の時間推定に基づく位置推定のための飛行時間推定およびチャネル感知情報に基づく飛行時間の時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。第１および第２無線ノードは、この例では同じ基準クロック信号を有する。
【０１０８】
別の例では、パケットの飛行時間の時間推定は、第１無線ノードがパケットを送信するときは第１の時間、第２無線ノードがパケットを受信するときは第２の時間に基づく。
【０１０９】
別の例では、チャネル感知情報は、第１および第２無線ノード間の複数経路の遅延およびチャネルの位相応答を含む、パケットのチャネル応答の測定値を備える。
【０１１０】
別の例では、第１および第２無線ノード間の複数経路の最小遅延を推定するために、行列束およびＭＵＳＩＣアルゴリズムのうちの少なくとも１つが使用される。
【０１１１】
別の例では、位置推定のための飛行時間推定は、パケットの飛行時間の時間推定および複数経路の最小遅延に基づいて第１および第２無線ノード間の距離を決定するステップを備える。
【０１１２】
別の例では、第１および第２無線ノード間の距離は、アンカーノードベースの三角測量またはアンカーノードなしの三角測量に基づいて第１および第２無線ノードの相対位置または絶対位置を決定するために使用される。
【０１１３】
別の例では、第１および第２無線ノード間の距離は、複数の無線センサノードを有する無線センサネットワーク内のコンステレーションメンバーシップを定義するために使用される位置推定情報を決定するために使用される。
【０１１４】
別の実施形態では、機器は、命令を格納するためのメモリと、無線ネットワークアーキテクチャ内の複数のセンサノードを制御し、複数のセンサノードの位置を決定するための命令を実行するための１つ以上の処理ユニットと、無線ネットワークアーキテクチャ内の機器のＲＦ回路構成との双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を各々が有する複数のセンサノードに通信を送信し、そこから通信を受信するための無線周波数（ＲＦ）回路構成とを備える。機器の１つ以上の処理ユニットは、ＲＦ回路構成の自動利得制御（ＡＧＣ）段を較正し、ＡＧＣ段の較正に基づいて機器とセンサノードとの間の通信のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【０１１５】
一例では、機器の１つ以上の処理ユニットは、飛行時間推定の決定の前または最中に利得の関数としてのＡＧＣ段の遅延を測定し、測定遅延とＡＧＣ段の基準遅延との間に偏差が存在するか否かを決定し、偏差が存在する場合には決定された飛行時間推定のタイミングを修正することによって、ＡＧＣ段を較正するための命令を実行するように構成されている。
【０１１６】
別の例では、機器の１つ以上の処理ユニットは、飛行時間推定の前または最中にフィルタ段の遅延を測定し、測定フィルタ遅延と基準フィルタ遅延との間に偏差が存在するか否かを決定し、偏差が存在する場合には決定された飛行時間推定のタイミングを修正することによって、フィルタ段を較正するための命令を実行するように構成されている。
【０１１７】
別の実施形態では、無線ネットワークアーキテクチャ内のノードの位置推定のためのシステムは、１つ以上の処理ユニットと、無線ネットワークアーキテクチャ内の通信を送信および受信するためのＲＦ回路構成とを有する無線装置を有する第１無線ノードと、無線ネットワークアーキテクチャ内の第１無線ノードとの双方向通信を可能にするための送信機および受信機を有する無線装置を有する第２無線ノードとを備える。第１無線ノードの１つ以上の処理ユニットは、第２無線ノードから受信した通信について第１および第２無線ノード間の複数経路の受信信号の信号振幅を決定し、複数経路の受信信号の信号振幅を閾値と比較し、誤った短経路の信号振幅が所定の方法で閾値と比較するときに複数経路の誤った短経路を排除する、経路推定アルゴリズムの実装に基づいて位置推定のための飛行時間推定を決定するための命令を実行するように構成されている。
【０１１８】
一例では、誤った短経路の信号振幅が閾値未満であるときに、誤った短経路の信号振幅は所定の方法で閾値と比較する。
【０１１９】
一例では、閾値は、環境要因、経験的データ、および経路長による複数経路の期待される損失のうちの少なくとも１つに基づいて設定される。
【０１２０】
上記の明細書では、本発明は、その特定の例示的実施形態を参照して説明されてきた。しかしながら、本発明の広範な精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がなされてもよいことは、明らかであろう。したがって、明細書および図面は、限定的ではなく例示的なものと見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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